2-3 Kummer 列と Brauer 群の余階数

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

$\ell$ を可逆な素数とすると、Kummer 列 $0\to\mu_{\ell^\nu}\to\mathbb G_m\xrightarrow{\ell^\nu}\mathbb G_m\to0$ から、$\mathrm{Pic}(X)$、有限係数のコホモロジー $H^2(X,\mu_{\ell^\nu})$、Brauer 群の $\ell^\nu$ 捩れを結ぶ短完全列が得られ、極限をとると $0\to\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\to H^2(X,\mu_{\ell^\infty})\to\mathrm{Br}'(X)(\ell)\to0$ となる。代数閉体上の固有滑らかな多様体では、左の項は Néron–Severi 群だけで決まり、$\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ は $(\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)^{B_2-\rho}$ と有限群の和になる。ここから Picard 数の不等式 $\rho\le B_2$ が直ちに従い、曲線では $\mathrm{Br}=0$、曲面では余階数が $\ell$ によらないことが分かる。準コンパクト性の仮定、有限体上での $B_2$ の読み方、$B_1$ と Picard スキームの次元の関係についての原論文の誤りを反例で示し、特殊 Brauer 群による読み替えも証明する。

この頁で示すこと

$X$ をスキーム、$\ell$ を $X$ 上可逆な素数、$n$ を $X$ 上可逆な正整数とする。$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ は「定義と準備」の節のとおり $\varinjlim_\nu H^i(X,\mu_{\ell^\nu})$ と定める。本頁の主結果は次の五つである。

  1. Kummer の短完全列(原論文 II (3.1)):Kummer 列から $\mathrm{Pic}(X)/n$、$H^2(X,\mu_n)$、${}_n\mathrm{Br}'(X)$ を結ぶ短完全列が得られ、$\ell$ 冪の帰納極限をとると $\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$、$H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$、$\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ を結ぶ短完全列と、一般の次数 $i$ での同じ形の列になる。[完結]原論文は $X$ を任意としたまま $H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ を層 $\mu_{\ell^\infty}$ のコホモロジーとして扱うが、その読みは反例「準コンパクトでない $X$」で破れる。
  2. 余有限性(原論文 II (3.2)):$X$ が準コンパクト準分離で $H^i(X,\mu_\ell)$ が有限なら、$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ と $H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)$ は余有限型であり、さらに $H^{i-1}(X,\mathbb G_m)$ が捩れ群なら両者は同型である。[完結]後半の仮定は原論文の 1968 年版に欠けている(注意「原論文 II (3.2) の仮定」)。
  3. Brauer 群の余階数(原論文 II (3.4)、(3.5)、(3.8)、式 (11)):$X$ が準コンパクト準分離で $H^2(X,\mu_\ell)$ が有限なら、$\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ の余階数は $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ の余階数と $\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$ の余階数の差であり、代数閉体上の固有滑らかな連結多様体では前者は $B_2$、後者は Picard 数 $\rho$ に等しく、$\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ は $(\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)^{B_2-\rho}$ と有限群の直和になり、とくに $\rho\le B_2$ である。[条件付き:(K1)–(K3) を引用]前半は原論文 (3.4) の $B_2$ を余階数で定めて読んだ形で、$B_2$ を「$H^2(X,\mathbb Z_\ell)$ の階数」とする原論文の形は反例「有限体上の $B_2$(原論文 II (3.4))」で破れる。
  4. 曲線と曲面の Brauer 群(原論文 II (3.6)、(3.7)):分離閉体上の固有滑らかな曲線の Brauer 群は標数 $p$ の冪の位数の元だけからなり($k$ が代数閉なら $0$)、曲面では $\mathrm{Br}(X)(\ell)$ の余階数が $\ell$($\ne p$)によらない。[条件付き:(K2)–(K6) を引用]原論文が $B_1$ を「Picard スキームの次元」と述べる点は反例(原論文の「$B_1$ は Picard スキームの次元」)で正す。
  5. 特殊 Brauer 群と Brauer 群(原論文 II (3.9)、式 (12)、(13)):$X$ が準コンパクトなら、特殊 Brauer 群 $\mathrm{SBr}(X)$ は $\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q/\mathbb Z$ による $\mathrm{Br}(X)$ の拡大であり、$X$ が準コンパクト準分離なら、$\mathrm{Br}(X)(\ell)\to\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ が同型であることは、特性準同型 $\mathrm{SBr}(X)(\ell)\to H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ が同型であることと同値である。[条件付き:(K7)・(K8) を引用]
    1 と 2 は Kummer 列の完全性と余有限型の群についての補題だけで頁内に閉じる。3〜5 は「定義と準備」の末尾に列挙した事実 (K1)–(K8)(有限性定理、Néron–Severi の定理、Poincaré 双対性と Lefschetz の公式、Morita の議論、fppf の Kummer 列)を引用して示す。

背景と動機

本書『2-2 Brauer 類の実現』で、$\mathrm{Br}'(X)=H^2(X,\mathbb G_m)_{\mathrm{tors}}$ を主な対象にすることにした。しかし $\mathbb G_m$ 係数のコホモロジーは直接には計算しにくい。一方、有限係数 $\mu_n$ のエタールコホモロジーは、固有・滑らかな場合に有限性や比較定理(複素数体上なら特異コホモロジーとの比較)が使え、よく分かっている。Kummer完全列 はこの二つを結ぶ橋である。
講演 II §3 の要点は、この橋によって Brauer 群の「大きさ」が位相的な不変量 $B_2$ と算術的な不変量 $\rho$ の差として測れることである。講演 I Gro68a の序文は、大域 Brauer 群が $B_2-\rho$ 個の「超越的な 2 次コホモロジー類」と関係することを動機に挙げていた。講演者は $B_2$ を位相的、$\rho$ を本質的に算術的な不変量と対比し($\rho$ は滑らかな族の中で一定でない)、したがって $B_2-\rho$ も算術的な不変量になることを強調している。$\rho\le B_2$(Picard の不等式)は、この見方からは「余階数が負でない」という自明な事実になる。

定義と準備

Kummer 列を使うには、有限係数の層と、その帰納極限・射影極限で作るコホモロジーの記号をまず定めておく。

1 の冪根の層と Tate 捻り [-2-3-mu-and-tate-twist]

$\mu_n=\ker(n\colon\mathbb G_m\to\mathbb G_m)$ とする。$\mu_{\ell^\infty}=\varinjlim\mu_{\ell^\nu}$、$\mathbb Z_\ell(1)=\varprojlim\mu_{\ell^\nu}$(Tate捻り)。$k$ が分離閉なら $\mu_{\ell^\nu}\cong\mathbb Z/\ell^\nu$ だが、この同型は 1 の原始根の選び方による。

ℓ 進コホモロジー [-2-3-l-adic-cohomology]

$H^i(X,\mathbb Z_\ell(j))=\varprojlim_\nu H^i(X,\mu_{\ell^\nu}^{\otimes j})$、$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})=\varinjlim_\nu H^i(X,\mu_{\ell^\nu})$ とする(ℓ進コホモロジー)。$X$ が準コンパクト準分離なら後者は帰納極限の層 $\mu_{\ell^\infty}$ のコホモロジーに等しい(コホモロジーが層の帰納極限と交換するため)。一般の $X$ では等しくない(「例と反例」の節)。

極限で得られる $\ell$ 準素群の「大きさ」を測る物差しが、次の余有限型と余階数である。

余有限型と余階数 [-2-3-cofinite-type]

記号表の約束に従う。$\ell$ 準素なアーベル群 $M$ が余有限型であるとは ${}_\ell M$ が有限であることをいう。

主結果で余階数と比べる算術的な不変量が Picard 数、位相的な不変量が Betti 数である。

Néron–Severi 群と Picard 数 [-2-3-neron-severi]

$k$ 代数閉、$X$ が $k$ 上固有のとき、$\mathrm{Pic}^0(X)$ を Picard スキームの単位元成分の $k$ 点とし、$\mathrm{NS}(X)=\mathrm{Pic}(X)/\mathrm{Pic}^0(X)$、$\rho=\operatorname{rank}\mathrm{NS}(X)$ とする(Néron–Severi群)。

ℓ 進 Betti 数 [-2-3-betti-numbers]

体 $k$ 上のスキーム $X$ について、$B_i=\operatorname{rank}_{\mathbb Z_\ell}H^i(X_{\bar k},\mathbb Z_\ell)$($\ell$ 進 Betti 数。記号表のとおり分離閉包への底変換で測る)。$k$ が分離閉なら $X_{\bar k}$ の代わりに $X$ でよい。

本頁で引用として使う事実

次の事実は証明せずに引用する。出典は主に SGA4、SGA4h、Mil80 である。

  • (K1) 有限性:$k$ が分離閉体または有限体で $X$ が $k$ 上固有(または滑らか)なら、$H^i(X,\mu_\ell)$ は有限である(SGA 4 の有限性定理、SGA 4½)。このとき $H^i(X_{\bar k},\mathbb Z_\ell)$ は有限生成 $\mathbb Z_\ell$ 加群である。
  • (K2) Néron–Severi の定理:$k$ 代数閉、$X$ 固有なら $\mathrm{NS}(X)$ は有限生成アーベル群。
  • (K3) $\mathrm{Pic}^0_{X/k}$ の被約化は連結可換代数群であり、その $k$ 点の群は $\operatorname{char}k$ と異なる素数 $\ell$ で割り切れる($\ell$ 可除)。
  • (K4) 曲線の計算:$k$ 代数閉、$X$ が固有滑らかな連結曲線なら $H^2(X,\mu_n)\cong\mathbb Z/n$ で、$\mathrm{Pic}(X)/n\to H^2(X,\mu_n)$ は次数を $n$ で割った余りを与える。
  • (K5) Poincaré 双対性:固有滑らかな連結 $d$ 次元多様体で $B_i=B_{2d-i}$。Lefschetz の不動点公式:$\sum_i(-1)^iB_i=c_d$。ここで $c_d=\deg c_d(T_X)$ は対角線の自己交点数であり、交点数なので $\ell$ によらない。
  • (K6) 固有滑らかな多様体について $B_1=2\dim\mathrm{Pic}^0_{X/k,\mathrm{red}}$(Picard 多様体の次元の 2 倍)。
  • (K7) Morita の議論:$X$ 上の階数一定の局所自由加群 $E,F$ について、$\mathcal End(E)\cong\mathcal End(F)$(代数として)なら、ある可逆層 $M$ で $F\cong E\otimes M$。Azumaya 代数 $A$ の既約トレース形式は完全なので $A\cong A^\vee$、したがって $\det(A)^{\otimes2}\cong\mathcal O_X$。
  • (K8) $n$ が可逆とは限らないとき、fppf 位相で $1\to\mu_n\to\mathrm{SL}_n\to\mathrm{PGL}_n\to1$ は完全で、その余境界 $\tau\colon H^1(X,\mathrm{PGL}_n)\to H^2(X_{\mathrm{fppf}},\mu_n)$ はテンソル積と両立する。$\mathbb G_m$ への押し出しは $\delta$ に等しく、$\mathrm{GL}_n$ トーサー(局所自由加群 $E$)の押し出しについては $\tau(\mathcal End(E))=\pm\partial_K(\det E)$($\partial_K$ は Kummer 列の境界写像、符号は規約だけで決まる)。$\ell$ が可逆なら $\mu_{\ell^\nu}$ 係数の fppf コホモロジーはエタールコホモロジーに等しい(第4章)。

主結果と証明

Kummer 列と短完全列

出発点は、$n$ が可逆なら Kummer 列がエタール層の完全列になることである。

Kummer 列の完全性 [-2-3-kummer-exact]

$n$ が $X$ 上可逆なら、エタール層の列
$$0\to\mu_n\to\mathbb G_m\xrightarrow{\ x\mapsto x^n\ }\mathbb G_m\to0$$
は完全である。

左と中央の完全性は定義による。右端の全射性:切断 $u\in\Gamma(U,\mathcal O_U^\times)$ に対し $U'=\operatorname{Spec}_U\mathcal O_U[t]/(t^n-u)$ をとると、$t^n-u$ の微分 $nt^{n-1}$ は $U'$ 上可逆($n$ と $t$ が可逆)なので $U'\to U$ はエタール全射であり、$U'$ の上で $u$ は $n$ 乗になる。

この完全列の長完全列から、$\mathrm{Pic}$ と Brauer 群を結ぶ短完全列を切り出す。

Kummer の短完全列 [-2-3-kummer-sequence]

$X$ をスキーム、$n$ を $X$ 上可逆な正整数、$\ell$ を $X$ 上可逆な素数とする。
$$0\to\mathrm{Pic}(X)/n\to H^2(X,\mu_n)\to{}_n\mathrm{Br}'(X)\to0$$
は完全であり、$\ell$ 冪の帰納極限をとって
$$0\to\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\to H^2(X,\mu_{\ell^\infty})\to\mathrm{Br}'(X)(\ell)\to0,$$
$$0\to H^{i-1}(X,\mathbb G_m)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\to H^i(X,\mu_{\ell^\infty})\to H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)\to0\quad(i\ge1)$$
が完全である。

段 1(短完全列).上の補題(Kummer 列の完全性)から得られる長完全列の一部
$$H^1(X,\mathbb G_m)\xrightarrow{n}H^1(X,\mathbb G_m)\to H^2(X,\mu_n)\to H^2(X,\mathbb G_m)\xrightarrow{n}H^2(X,\mathbb G_m)$$
で $H^1(X,\mathbb G_m)=\mathrm{Pic}(X)$ だから、左の余核 $\mathrm{Pic}(X)/n$ と右の核 ${}_nH^2(X,\mathbb G_m)$ で短完全列ができる。${}_nH^2(X,\mathbb G_m)$ は捩れ元だけからなるので ${}_n\mathrm{Br}'(X)$ に等しい。一般の $i$ でも同じで、$0\to H^{i-1}(X,\mathbb G_m)/n\to H^i(X,\mu_n)\to{}_nH^i(X,\mathbb G_m)\to0$。
段 2(極限).$\nu$ について、層の射 $(\text{包含},\ \mathrm{id},\ x\mapsto x^\ell)$ は Kummer 列の射
$$[\mu_{\ell^\nu}\to\mathbb G_m\xrightarrow{\ell^\nu}\mathbb G_m]\longrightarrow[\mu_{\ell^{\nu+1}}\to\mathbb G_m\xrightarrow{\ell^{\nu+1}}\mathbb G_m]$$
を与える(右の四角:$x\mapsto x^{\ell^\nu}\mapsto x^{\ell^{\nu+1}}$)。これが短完全列の間に誘導する写像は、左では $\mathrm{Pic}/\ell^\nu\xrightarrow{\ell}\mathrm{Pic}/\ell^{\nu+1}$(右端の $\mathbb G_m$ の縦の射が $\ell$ 乗だから)、右では包含 ${}_{\ell^\nu}\mathrm{Br}'\subset{}_{\ell^{\nu+1}}\mathrm{Br}'$(中央の縦の射が恒等だから)である。帰納極限は完全なので、
$$\varinjlim(\mathrm{Pic}/\ell^\nu,\ \times\ell)=\mathrm{Pic}\otimes\varinjlim(\mathbb Z/\ell^\nu,\ \times\ell)=\mathrm{Pic}\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell,\qquad\varinjlim{}_{\ell^\nu}\mathrm{Br}'=\mathrm{Br}'(\ell)$$
から 2 番目の列を得る。3 番目も同じ。

この証明は $H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ を有限係数のコホモロジーの帰納極限として使っており、$X$ に仮定を要しない。$X$ が準コンパクト準分離なら、これは層 $\mu_{\ell^\infty}$ のコホモロジーに等しい。

射影極限をとった場合 [-2-3-auto1]

射影極限をとると、遷移写像の役割が入れ替わる(左は自然な全射、右は $\ell$ 倍)。第6章の $0\to\mathrm{NS}(X)\otimes\mathbb Z_\ell\to H^2(X,\mathbb Z_\ell(1))\to T_\ell\mathrm{Br}'(X)\to0$ はその形である(Tate加群)。

余有限型の群

短完全列の三つの項の大きさを比べるには、余有限型の群の構造を知っておく必要がある。

余有限型の群の構造 [-2-3-cofinite-structure]

$\ell$ 準素なアーベル群 $M$ について、${}_\ell M$ が有限なら $M\cong(\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)^r\oplus F$($F$ は有限)であり、$r=\operatorname{rank}_{\mathbb Z_\ell}T_\ell M$。

$M$ の Pontryagin 双対 $M^\vee=\operatorname{Hom}(M,\mathbb Q/\mathbb Z)$ は副有限な $\mathbb Z_\ell$ 加群で、$M^\vee/\ell M^\vee=({}_\ell M)^\vee$ は有限。副有限(コンパクト)加群に対する中山の補題により $M^\vee$ は有限生成 $\mathbb Z_\ell$ 加群で、$M^\vee\cong\mathbb Z_\ell^r\oplus F^\vee$。双対をとり直して主張の分解を得る。$T_\ell(\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)=\mathbb Z_\ell$、$T_\ell F=0$ から $r=\operatorname{rank}T_\ell M$。

この分解で定まる余階数が短完全列に沿って加法的であることを、次に確かめる。

余階数の加法性 [-2-3-corank-additivity]

余有限型の群の短完全列 $0\to M'\to M\to M''\to0$ で、余階数は加法的。余有限型の群の部分群と商は余有限型である。また任意の $\ell$ 準素群 $N$ について $N\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell=0$。

前半は Pontryagin 双対が完全で、有限生成 $\mathbb Z_\ell$ 加群の階数が加法的であることによる。後半:$x\in N$ が $\ell^m x=0$ なら、$x\otimes y=x\otimes\ell^m y'=\ell^mx\otimes y'=0$($\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$ は可除)。

原論文 II (3.2) の証明は、後半の主張を「$M$ が余有限型の $\ell$ 捩れ群なら」と述べるが、余有限型の仮定は不要である。Bourbaki 版の正誤表もこの語を削っている。

余有限性

準備が揃ったので、Kummer の短完全列の各項が余有限型になる条件を述べる。

余有限性 [-2-3-cofiniteness]

$X$ を準コンパクト準分離とする。$H^i(X,\mu_\ell)$ が有限なら、$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ と $H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)$ は余有限型である。さらに $H^{i-1}(X,\mathbb G_m)$ が捩れ群なら(例えば $X$ が正則なネーター・スキームか、次元 $\le1$ のネーター・スキームで、$i\ge3$。本書『2-1 Br′ の捩れ性と単射性』の定理(捩れ性と単射性))、$H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)\cong H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$。

段 1(余有限型).$X$ は準コンパクト準分離なので、$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ は層 $\mu_{\ell^\infty}$ のコホモロジーであり、層の完全列 $0\to\mu_\ell\to\mu_{\ell^\infty}\xrightarrow{\ell}\mu_{\ell^\infty}\to0$ の長完全列が使える。$H^i(X,\mu_\ell)$ が有限とすると、${}_\ell H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ は $H^i(X,\mu_\ell)$ の商なので有限であり、$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ は余有限型。上の定理(Kummer の短完全列)の 3 番目の列により $H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)$ はその商なので、上の補題(余階数の加法性)により余有限型である。
段 2(同型).$H^{i-1}(X,\mathbb G_m)$ が捩れなら、その $\ell$ 準素でない部分は $\ell$ 倍で全単射なので $\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$ で消え、$\ell$ 準素部分は上の補題(余階数の加法性)で消える。したがって上の定理(Kummer の短完全列)の 3 番目の列の左端は $0$ で、$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})\cong H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)$。

ここで「$\ell$ 準素でない部分」とは、$\ell$ と素な位数の元のなす部分群で、捩れ群は $\ell$ 準素部分とこれとの直和である。

Brauer 群の余階数

余有限性により余階数の加法性が使えるようになり、本頁の中心の結果が得られる。

Brauer 群の余階数 [-2-3-b2-minus-rho]
  1. $X$ を準コンパクト準分離とし、$H^2(X,\mu_\ell)$ が有限とする。$b_\ell(X)=\operatorname{corank}H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$、$\rho_\ell(X)=\operatorname{corank}(\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)$ とおくと、$\operatorname{corank}\mathrm{Br}'(X)(\ell)=b_\ell(X)-\rho_\ell(X)$。
  2. $k$ を代数閉体、$\ell\ne\operatorname{char}k$、$X$ を $k$ 上固有滑らかな連結多様体とすると、$b_\ell=B_2$、$\rho_\ell=\rho$ であり、
    $$\mathrm{Br}'(X)(\ell)\cong(\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)^{B_2-\rho}\oplus(\text{有限群}),\qquad\text{とくに }\rho\le B_2.$$
    ここで $B_2=\operatorname{rank}_{\mathbb Z_\ell}H^2(X,\mathbb Z_\ell)$、$\rho=\operatorname{rank}\mathrm{NS}(X)$。

段 1((1) の証明).上の定理(余有限性)により、定理(Kummer の短完全列)の 2 番目の列の真ん中の項は余有限型で、補題(余階数の加法性)により左右の項も余有限型である。余階数の加法性から $\operatorname{corank}\mathrm{Br}'(X)(\ell)=b_\ell-\rho_\ell$。
段 2((2) の左の項).(K2)(K3) により $0\to\mathrm{Pic}^0(X)\to\mathrm{Pic}(X)\to\mathrm{NS}(X)\to0$ で、$\mathrm{Pic}^0(X)$ は $\ell$ 可除。$\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$ は右完全で、$\ell$ 可除な群 $D$ について $D\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell=0$($d\otimes y=\ell^m d'\otimes y=d'\otimes\ell^m y$ で、$y$ は $\ell^m y=0$ となる $m$ をもつ)。よって
$$\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\cong\mathrm{NS}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\cong(\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)^{\rho}$$
(有限生成群 $\mathrm{NS}(X)\cong\mathbb Z^\rho\oplus(\text{有限})$ の有限部分は補題(余階数の加法性)の後半で消える)。すなわち $\rho_\ell=\rho$。
段 3((2) の真ん中の項).(K1) で $H^2(X,\mu_\ell)$ は有限である。$k$ は代数閉なので $\mu_{\ell^\nu}\cong\mathbb Z/\ell^\nu$ と($\nu$ について両立するように)同一視できる。(K1) により $H^i(X,\mathbb Z_\ell)$ は有限生成 $\mathbb Z_\ell$ 加群であり、標準的な完全列
$$0\to H^2(X,\mathbb Z_\ell)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\to H^2(X,\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell)\to H^3(X,\mathbb Z_\ell)_{\mathrm{tors}}\to0$$
がある(引用。有限係数のコホモロジーの射影系が Mittag-Leffler 条件をみたすことによる)。左の項の余階数は $B_2$、右の項は有限なので、補題(余階数の加法性)により $b_\ell=B_2$。
段 4((2) の結論).(1) により $\operatorname{corank}\mathrm{Br}'(X)(\ell)=B_2-\rho$。補題(余有限型の群の構造)で分解の形を得る。余階数は負でないので $\rho\le B_2$。

$X$ は正則なので、本書『2-1 Br′ の捩れ性と単射性』の定理(捩れ性と単射性)・定理(Azumaya 代数による実現)により $\mathrm{Br}'(X)=H^2(X,\mathbb G_m)$ であり、$\dim X\le2$ ならこれは $\mathrm{Br}(X)$ に等しい。

分離閉でない体の上の B_2 [-2-3-auto2]
  1. の $b_\ell$ と、有限体など分離閉でない体の上で $H^2(X,\mathbb Z_\ell)$(Tate 捻りなし)の階数として定めた数は、一般には一致しない(「例と反例」の節の反例「有限体上の $B_2$」)。原論文 II (3.4) は二つを同じものとして並べている。Tate 捻りつきの $\operatorname{rank}H^2(X,\mathbb Z_\ell(1))$ は、$H^2(X,\mu_\ell)$ が有限なら $b_\ell$ に等しい。

曲線と曲面

定理(Brauer 群の余階数)を曲線と曲面に適用し、原論文 II (3.6)・(3.7) の主張を導く。

曲線と曲面の Brauer 群 [-2-3-curves-and-surfaces]

$k$ を分離閉体、$X$ を $k$ 上固有滑らかとする。
(1) $X$ が曲線なら、$\mathrm{Br}(X)$ は $p=\operatorname{char}k$ の冪の位数の元だけからなり、$k$ が代数閉なら $\mathrm{Br}(X)=0$。
(2) $X$ が曲面なら $\mathrm{Br}(X)(\ell)$ の余階数は $\ell$($\ne p$)によらない。

段 1(曲線).$X$ の連結成分 $X_i$ は、$H^0(X_i,\mathcal O)$ が $k$ の有限分離拡大、すなわち $k$ 自身なので幾何的に連結であり、滑らかなので幾何的に整である。$X$ は正則で次元 $1$ なので、本書『2-1 Br′ の捩れ性と単射性』の定理(捩れ性と単射性)・定理(Azumaya 代数による実現)により $\mathrm{Br}(X)=H^2(X,\mathbb G_m)\hookrightarrow\bigoplus_i\mathrm{Br}(K_i)$($K_i$ は $X_i$ の関数体)。$k$ が代数閉なら、Tsen の定理(本書『3-1 次元 1 以下の体』)により $\mathrm{Br}(K_i)=0$ で、$\mathrm{Br}(X)=0$。一般の分離閉体 $k$ では、$\bar k/k$ は純非分離で、$\bar K_i=K_i\otimes_k\bar k$ は代数閉体上の曲線の関数体なので $\mathrm{Br}(\bar K_i)=0$。$\bar K_i$ は $K_i$ の次数 $p^s$ の有限純非分離拡大の合併で、制限と余制限の合成は次数倍なので、$\mathrm{Br}(K_i)\to\mathrm{Br}(\bar K_i)$ の核の元はある $p^s$ で消える。よって $\mathrm{Br}(X)$ は $p$ の冪の位数の元だけからなる。
$k$ が代数閉のときは、Kummer 列からも $\ell$ 部分が見える:(K4) により $\mathrm{Pic}(X)/n\to H^2(X,\mu_n)$ は全射(次数 $1$ の因子がある)なので、定理(Kummer の短完全列)から ${}_n\mathrm{Br}'(X)=0$($n$ は $p$ と素)。
段 2(曲面).$d=2$ として (K5) から $B_0=B_4=1$、$B_1=B_3$、$c_2=2-2B_1+B_2$。(K6) により $B_1=2\dim\mathrm{Pic}^0_{X/k,\mathrm{red}}$ は $\ell$ によらないので、$B_2=c_2-2+2B_1$ も $\ell$ によらない。$\rho_\ell$ は、分離閉体の上でも $\mathrm{Pic}(X)$ が有限生成な群の $\ell$ 可除な群による拡大であること((K2)(K3) の分離閉体上の形。引用)から $\ell$ によらない階数に等しい。$B_2$ はエタールコホモロジーが純非分離な底変換で変わらないので $b_\ell$ に等しい。本書『2-2 Brauer 類の実現』の定理(類の実現)により $\mathrm{Br}(X)=H^2(X,\mathbb G_m)$ なので、余階数 $B_2-\rho$ は $\ell$ によらない。

この系の (2) が言っている範囲について注意しておく。

有限部分の ℓ 依存性 [-2-3-auto3]

上の系(曲線と曲面の Brauer 群)の (2) は $\mathrm{Br}(X)(\ell)$ の有限部分が $\ell$ によらないとは言っていない。原論文 II (3.7) も、分離閉体上の曲線については「$\mathrm{Br}(X)$ は $p$ 準素群」とだけ述べる。

特殊 Brauer 群

最後に、$\mathrm{Br}=\mathrm{Br}'$ の問題を Kummer 列の言葉に翻訳するための群を導入する。

特殊 Brauer 群 [-2-3-special-brauer-group]

Azumaya 代数の同型類のテンソル積による可換モノイドを、次の関係で割ったものを $\mathrm{SBr}(X)$ とする:$A\sim B\iff$ $\det E_1\cong\mathcal O$、$\det E_2\cong\mathcal O$ となる階数正の局所自由加群 $E_1,E_2$ で $A\otimes\mathcal End(E_1)\cong B\otimes\mathcal End(E_2)$。(トーサーの言葉では、構造群が $\mathrm{SL}_n$ まで持ち上がる $\mathrm{PGL}_n$ トーサーだけを無視する。)

$X$ が準コンパクトなら、局所自由加群の階数は有限個の値しかとらず、$X$ を有限個の開かつ閉な片に分ければ各片で階数一定としてよい。以下、階数一定の加群だけを考える。$\det(E\otimes E')\cong\det(E)^{\otimes r'}\otimes\det(E')^{\otimes r}$($r,r'$ は階数)なので、$\sim$ はテンソル積と両立する同値関係である。$\mathrm{Pic}$ を加法的に書く。

特殊 Brauer 群と Brauer 群 [-2-3-special-brauer]

$X$ が準コンパクトなら、特殊 Brauer 群 $\mathrm{SBr}(X)$ について完全列 $0\to\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q/\mathbb Z\to\mathrm{SBr}(X)\to\mathrm{Br}(X)\to0$ がある。$X$ が準コンパクト準分離なら、その $\ell$ 準素部分から定理(Kummer の短完全列)の 2 番目の列への射があり、$\mathrm{Br}(X)(\ell)\to\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ が同型であることは、特性準同型 $\mathrm{SBr}(X)(\ell)\to H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ が同型であることと同値である。

(a) 補題.階数 $r$ の $E$ について、$\mathcal End(E)\sim\mathcal O$ であることと、$\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q/\mathbb Z$ の中で $\det(E)\otimes\frac1r=0$ であることは同値である。実際、後者は、ある $k\ge1$ と $M$ で $k(\det E-rM)=0$ となることと同値である($\mathrm{Pic}\otimes\mathbb Q/\mathbb Z=\varinjlim_m\mathrm{Pic}/m$)。$\Leftarrow$:$E'=E\otimes M^{-1}$ は $\mathcal End(E')=\mathcal End(E)$ をみたし、$T=\det E'$ は $kT=0$ をみたす。$E_1=\mathcal O^k$、$E_2=E'^{\oplus k}$ とすると $\det E_1=0$、$\det E_2=kT=0$ で、$\mathcal End(E')\otimes\mathcal End(E_1)\cong\mathcal End(E_2)$。$\Rightarrow$:$\mathcal End(E\otimes E_1)\cong\mathcal End(E_2)$ なら (K7) により $E_2\cong E\otimes E_1\otimes M$。行列式をとって $0=r_1\det E+r\det E_1+rr_1M=r_1(\det E+rM)$。
(b) 群であること.$A\otimes A^{\mathrm{op}}\cong\mathcal End(A)$ で、(K7) により $\det A$ は $2$ で消えるので、(a) により $\mathcal End(A)\sim\mathcal O$。よって $[A^{\mathrm{op}}]$ が $[A]$ の逆元である。
(c) 左の射.$N=\{[\mathcal End(E)]\}\subset\mathrm{SBr}(X)$ は部分群である($\mathcal End(E)^{\mathrm{op}}\cong\mathcal End(E^\vee)$)。$\psi([\mathcal End(E)])=\det(E)\otimes\frac1{\operatorname{rk}E}$ と定める。$\mathcal End(E)\cong\mathcal End(E')$ なら (K7) により $E'\cong E\otimes M$ で $\det E'=\det E+rM$ なので値は変わらず、$\det E_i=0$ の $E_i$ とのテンソルでも値は変わらないので、$\psi$ は $N$ の上で well-defined な準同型である。(a) により単射で、$L\otimes\frac an=\psi([\mathcal End(L^{\otimes a}\oplus\mathcal O^{n-1})])$($a\ge0$)なので全射である。よって $N\cong\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q/\mathbb Z$。
(d) 完全性.$\mathrm{SBr}(X)\to\mathrm{Br}(X)$ は全射で、$[A]$ が $\mathrm{Br}(X)$ で $0$ となるのは $A\otimes\mathcal End(F)\cong\mathcal End(F')$ のとき、すなわち $[A]=[\mathcal End(F')]-[\mathcal End(F)]\in N$ のときである。
(e) 特性準同型.$X$ を準コンパクト準分離とする。次数 $n$ の Azumaya 代数 $A$ に (K8) の $\tau(A)\in H^2(X_{\mathrm{fppf}},\mu_n)$ を対応させ、$\mu_n\subset\varinjlim_m\mu_m$ で送る。テンソル積との両立と、$\det E\cong\mathcal O$ の $\mathcal End(E)$ のトーサーが $\mathrm{SL}_n$ に持ち上がる($\tau=0$)ことから、これは $\mathrm{SBr}(X)$ 上の準同型を定める。$\mathrm{SBr}(X)$ は捩れ群($\mathrm{Pic}\otimes\mathbb Q/\mathbb Z$ と、$X$ が準コンパクトなので捩れ群の $\mathrm{Br}(X)$ の拡大)なので、(d) の列の $\ell$ 準素部分も完全であり、$\ell$ 準素部分に制限すると、(K8) により値は $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ に入る。これを $\chi\colon\mathrm{SBr}(X)(\ell)\to H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ とする。(K8) により、左の四角は $\psi$ と定理(Kummer の短完全列)の左の射 $L\otimes\frac1n\mapsto\partial_K(L)$ で(規約で決まる符号を除き)可換であり、右の四角は $\delta\colon\mathrm{Br}(X)(\ell)\to\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ で可換である。左の縦の射は同型で、$\delta$ は単射なので、蛇の補題により $\delta$ が同型であることと $\chi$ が同型であることは同値である。

この命題を準コンパクトな場合に限った理由を注意しておく。

原論文 II (3.9) の一般性 [-2-3-sbr-quasicompact]

原論文 II (3.9) は、この完全列と特性準同型を「容易に定義される」とだけ述べ、任意のスキームについて述べる。上の証明は $X$ が準コンパクトな場合に限った。局所自由加群の階数が有界でないとき、$\det(E)\otimes\frac1r$ の意味が定まらないからである。

例と反例

以下、例(射影空間)から例(曲線の Kummer 列)までの五つの例では $k$ は代数閉体、$\ell\ne\operatorname{char}k$ とする。

射影空間 [-2-3-projective-space]

$X=\mathbb P^d_k$ では $B_2=1$、$\mathrm{NS}(X)=\mathrm{Pic}(X)=\mathbb Z$ で $\rho=1$。余階数は $0$。さらに $H^2(X,\mu_n)\cong\mathbb Z/n$ は $\mathcal O(1)$ の類で生成されるので、定理(Kummer の短完全列)から ${}_n\mathrm{Br}(X)=0$ である。

余階数が正になる最初の例は曲面である。

アーベル曲面 [-2-3-abelian-surface]

$X=E\times E'$($E,E'$ は楕円曲線)では $B_2=6$ である。標数 $0$ では $\rho=2+\operatorname{rank}\operatorname{Hom}(E,E')$ であり(引用)、$E,E'$ が同種でなければ $\rho=2$、余階数 $4$。$E=E'$ が虚数乗法をもてば $\rho=4$、余階数 $2$。標数 $p>0$ で $E=E'$ が超特異なら $\operatorname{rank}\operatorname{End}(E)=4$ で $\rho=6=B_2$、余階数 $0$ となり、$\mathrm{Br}(X)(\ell)$ は有限群である。同じ位相型の曲面でも、$\rho$、したがって $\mathrm{Br}$ の大きさが算術的な事情で変わる例である。

同じ計算を K3 曲面で行うと、標数による違いがいっそう際立つ。

K3 曲面 [-2-3-k3-surface]

K3 曲面では $B_2=22$。標数 $0$ では Hodge 理論により $\rho\le h^{1,1}=20$ なので(引用)、余階数は $2$ 以上である。標数 $p>0$ では $\rho=22$ となる超特異 K3 曲面が存在し(Shioda、Artin。引用)、そこでは余階数 $0$ である。標数 $0$ の曲面では $\rho\le B_2-2p_g$($p_g$ は幾何種数)なので、$\rho=B_2$ となるのは $p_g=0$ のとき(例えば有理曲面)に限られる。正標数では、K3 曲面のように $p_g=1$ でも $\rho=B_2$ となりうる。

余階数だけでは Brauer 群が決まらないことを、次の例が示す。

有限部分が非自明な場合 [-2-3-nontrivial-finite-part]

複素数体上の滑らかな射影多様体 $X$ では、比較定理と指数完全列により
$$\mathrm{Br}(X)\cong(\mathbb Q/\mathbb Z)^{b_2-\rho}\oplus H^3(X,\mathbb Z)_{\mathrm{tors}}$$
となる(引用。本書『1-1 位相空間の Brauer 群』の位相的な計算と、Lefschetz の $(1,1)$ 定理による)。Enriques 曲面では $b_2=\rho=10$、$H^3(X,\mathbb Z)_{\mathrm{tors}}\cong\mathbb Z/2$ なので、余階数は $0$ だが $\mathrm{Br}(X)\cong\mathbb Z/2\ne0$。定理(Brauer 群の余階数)の余階数だけでは Brauer 群は決まらない。この有限部分は双有理不変量で(本書『5-2 Brauer 群の双有理不変性』)、Artin–Mumford の単有理だが有理でない 3 次元多様体の例では、$H^3(X,\mathbb Z)_{\mathrm{tors}}\ne0$ が非有理性の証拠になった。

曲線では Kummer 列の各項が具体的に書け、$B_1$ の意味もそこから読める。

曲線の Kummer 列 [-2-3-curve-kummer-sequence]

種数 $g$ の曲線 $C$ では $\mathrm{Pic}(C)/n\cong\mathbb Z/n$($\mathrm{Pic}^0$ は可除)、$H^2(C,\mu_n)\cong\mathbb Z/n$ で、定理(Kummer の短完全列)の列は $0\to\mathbb Z/n\xrightarrow{\cong}\mathbb Z/n\to0\to0$ となる。一方 $H^1$ の段では $0\to\mathcal O(C)^\times/n\to H^1(C,\mu_n)\to{}_n\mathrm{Pic}(C)\to0$ となり、$H^1(C,\mu_n)\cong(\mathbb Z/n)^{2g}$ は ${}_n\mathrm{Pic}^0(C)$ から来る($\mathcal O(C)^\times=k^\times$ は可除)。$B_1=2g=2\dim\mathrm{Pic}^0$ がここから読める。

以下の四つの反例は原論文の記述を正すもので、まず $B_1$ の読み方についてである。

反例:原論文の「$B_1$ は Picard スキームの次元」 [-2-3-b1-picard]

原論文 II (3.6)・(3.8) は、$B_1$(Igusa Igu60 の式では $q=B_1$)を「Picard スキームの次元」と述べている。
$E$ を代数閉体 $k$ 上の楕円曲線とする。

  • 満たす条件:$E$ は $k$ 上固有滑らかで、次元 $1\le2$。
  • 破る結論:上の例(曲線の Kummer 列)のとおり $B_1=\operatorname{rank}T_\ell\mathrm{Pic}^0(E)=2$ だが、Picard スキームの各連結成分は $E$ と同型で、次元は $1$ である。正しくは $B_1=2\dim\mathrm{Pic}^0_{X/k,\mathrm{red}}$((K6))。
  • Igusa の式として原論文が引く $B_2=c_2+2(q-1)$ は、$q=B_1$ と読めば系(曲線と曲面の Brauer 群)の証明の $B_2=c_2-2+2B_1$ と一致するので、誤りは「$q$ を Picard スキームの次元とみなす」側にある。例えば $X=\mathbb P^1\times E$ では $c_2=0$、$B_1=2$、$\dim\mathrm{Pic}^0=1$、$B_2=2$ であり、$B_2=c_2-2+2B_1=2$ は正しいが、$q=\dim\mathrm{Pic}^0=1$ を代入すると $B_2=0$ となって誤る。系(曲線と曲面の Brauer 群)の (2) の結論は、(K6) の正しい形で成り立つ。

次は、定理(Kummer の短完全列)で $H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ を帰納極限で定めた理由である。

反例:準コンパクトでない $X$ [-2-3-not-quasicompact]

原論文 II (3.1) は、任意のスキーム $X$ について、層 $\mu_{\ell^\infty}$ のコホモロジーで定理(Kummer の短完全列)の列を述べる。この読みでは成り立たない。
$p,\ell$ を素数、$X=\bigsqcup_{j\in\mathbb N}\operatorname{Spec}\mathbb Q_p$(可算個の直和)とする。

  • 満たす条件:$\ell$ は $X$ 上可逆である。
  • 破る条件:$X$ は準コンパクトでない。
  • 計算:直和のコホモロジーは積なので、層のコホモロジーは $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})=\prod_jH^2(\mathbb Q_p,\mu_{\ell^\infty})$。体の Galois コホモロジーは係数の帰納極限と交換するので、局所類体論 $\mathrm{Br}(\mathbb Q_p)\cong\mathbb Q/\mathbb Z$ と Kummer 列から $H^2(\mathbb Q_p,\mu_{\ell^\infty})\cong\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$。よって $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})\cong\prod_j\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$ で、$(\ell^{-j})_j$ は位数有限でない。
  • 破る結論:$\mathrm{Pic}(X)=\prod_j\mathrm{Pic}(\mathbb Q_p)=0$ なので、列が完全なら $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ は捩れ群 $\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ と同型になるはずだが、そうならない。$H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ を「定義と準備」の節のとおり帰納極限で定めれば、定理(Kummer の短完全列)は任意の $X$ で成り立つ。

次は、定理(Brauer 群の余階数)で $B_2$ を余階数で定めた理由である。

反例:有限体上の $B_2$(原論文 II (3.4)) [-2-3-b2-finite-field]

原論文 II (3.4) は、$B_2$ を「$H^2(X,\mathbb Z_\ell)$ の階数、あるいは同じことだが $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ の余階数」と定めて、$\mathrm{Br}'(X)(\ell)$ の余階数を $B_2-\rho$ とする。有限体上ではこの二つは一致しない。
$q$ を素数冪、$\ell\nmid q$、$X=\mathbb P^1_{\mathbb F_q}$ とし、$H^2(X,\mathbb Z_\ell)=\varprojlim_mH^2(X,\mathbb Z/\ell^m)$(Tate 捻りなし)とする。

  • 満たす条件:$X$ は有限体上固有滑らかで、(K1) により $H^2(X,\mu_\ell)$ は有限。$\mathrm{Pic}(X)=\mathbb Z$ なので $\rho_\ell=1$。
  • 計算:$\bar X=\mathbb P^1_{\bar{\mathbb F}_q}$ では、Kummer 列と $\mathrm{Br}(\bar X)=0$(系(曲線と曲面の Brauer 群)の (1))から $H^2(\bar X,\mu_{\ell^m})\cong\mathbb Z/\ell^m$ は $\mathcal O(1)$ の類で生成され、Frobenius で固定される。したがって Galois 加群として $H^2(\bar X,\mathbb Z/\ell^m)\cong\mathbb Z/\ell^m(-1)$ で、Frobenius は $q^{-1}$ 倍で作用する。$H^1(\bar X,\mu_{\ell^m})=0$ で、$\mathbb F_q$ のコホモロジー次元は $1$ なので、Hochschild–Serre の系列から $H^2(X,\mathbb Z/\ell^m)\cong\{x\in\mathbb Z/\ell^m:(q-1)x=0\}$。これらは $\ell^{v}$($v$ は $q-1$ の $\ell$ 進付値)ですべて消えるので、射影極限の階数は $0$ である。一方、定理(Kummer の短完全列)により $\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\cong\mathrm{Pic}(X)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell\subset H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ なので、余階数は $1$ 以上である。
  • 破る結論:「$H^2(X,\mathbb Z_\ell)$ の階数」を $B_2$ とすると $B_2-\rho=-1$ となり、余階数にはなりえない。正しい形は定理(Brauer 群の余階数)の (1) で、$B_2$ を $H^2(X,\mu_{\ell^\infty})$ の余階数(または $\operatorname{rank}H^2(X,\mathbb Z_\ell(1))$、あるいは記号表の幾何的な $B_2$)で定めればよい。原論文が (3.7)・(3.8) で使う分離閉体上の場合は、二つの定義が一致するので影響を受けない。

最後の反例は、原論文 II (3.5) が「もっともらしい」と述べた Picard 群の有限生成性についてである。

反例:$\operatorname{Spec}\mathbb Z$ 上有限型で被約なスキームの Picard 群 [-2-3-pic-not-fg]

原論文 II (3.5) は、$X$ が $\operatorname{Spec}\mathbb Z$ 上有限型で被約なら $\mathrm{Pic}(X)$ は有限生成であることが「もっともらしい」と述べる。これは成り立たない(Bourbaki 版の注記(1966 年 8 月付)も、Bass と Murthy の指摘として、被約だけでは足りず、固有または正規なら有限型であると訂正している)。
$A=\mathbb Z[s,t^2,t^3]\subset B=\mathbb Z[s,t]$、$X=\operatorname{Spec}A$ とする。

  • 満たす条件:$A$ は $\mathbb Z$ 上有限生成で、整域 $B$ の部分環なので被約である。
  • 破る条件:$A$ は正規でなく、$X$ は固有でない。
  • 計算:$A=\mathbb Z[s]+t^2B$ で、$\mathfrak c=t^2B$ は $B$ のイデアルで $A$ に含まれ、$A/\mathfrak c=\mathbb Z[s]$、$B/\mathfrak c=\mathbb Z[s][t]/(t^2)$。$A$ は $B$ と $A/\mathfrak c$ の $B/\mathfrak c$ 上のファイバー積なので、Milnor の貼り合わせの完全列(引用、Mil71)$B^\times\times(A/\mathfrak c)^\times\to(B/\mathfrak c)^\times\to\mathrm{Pic}(A)$ がある。$B^\times=(A/\mathfrak c)^\times=\{\pm1\}$、$(B/\mathfrak c)^\times=\{\pm(1+gt):g\in\mathbb Z[s]\}\cong\{\pm1\}\times\mathbb Z[s]$ である。
  • 破る結論:$\mathrm{Pic}(A)$ は加法群 $\mathbb Z[s]$(階数無限の自由加群)を部分群に含み、有限生成でない。

残る二つの注意は、原論文の仮定の欠落と注記についてである。

原論文 II (3.2) の仮定 [-2-3-auto4]

1968 年版の II (3.2) は、$i\ge3$ で $H^i(X,\mathbb G_m)(\ell)\cong H^i(X,\mu_{\ell^\infty})$ を追加の仮定なしに述べる。定理(Kummer の短完全列)の 3 番目の列から分かるとおり、この同型には $H^{i-1}(X,\mathbb G_m)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell=0$ が必要である。原論文の証明が挙げる理由(余有限型の $\ell$ 捩れ群 $M$ なら $M\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell=0$)は正しいが、$H^{i-1}(X,\mathbb G_m)$ は $\ell$ 捩れ群とは限らないので、それだけでは閉じない。仮定から言えるのは、$H^{i-1}(X,\mathbb G_m)\otimes\mathbb Q_\ell/\mathbb Z_\ell$ が余有限型の群の可除な部分群であることまでである。Bourbaki 版はこの同型の前に「(1.8) の条件のもとで」を差し込んでおり、定理(余有限性)はその形($H^{i-1}$ が捩れ)で述べた。この仮定を外したときに同型が実際に崩れる例は、本書では与えない(原論文の形が正しいかどうかは判定しない)。

Néron の定理についての原論文の注記 [-2-3-auto5]

原論文 II (3.8) は、同じ方法で $\mathrm{NS}(X)$ が有限生成であること(Néron の定理)も同時に示せ、族の中で $\mathrm{NS}$ が同型を除き有限個の値しかとらないことにも関係すると述べる。Kummer 列から直接に出るのは、$\mathrm{Pic}(X)/\ell\hookrightarrow H^2(X,\mu_\ell)$ による $\mathrm{NS}(X)/\ell$ の有限性と、$\operatorname{rank}\mathrm{NS}\le B_2$ までである。$\mathrm{NS}(X)$ 自身の有限生成性には、$\mathrm{NS}$ が $\mathbb Z[1/\ell]$ のような可除な部分群や $p$ 準素部分を含まないこと、すなわち Picard スキームの構造が要る。本頁では (K2) として引用する。

その後の発展

以下は原論文の主張ではなく、後代の結果の紹介である(本頁の執筆時点 2026 年の知識による。書誌の頁は確認していない)。現代的な全体像は CTS21 を見よ。

  • $\ell$ 進 Betti 数の $\ell$ 非依存性:原論文 II (3.6) は、次元 $3$ 以上では $B_2$ の $\ell$ 非依存性すら未証明であると述べる。これは Deligne による Weil 予想の証明(1974、Del74)から、滑らかな射影的多様体について従う(有限体上へ特殊化し、Frobenius の特性多項式が $\ell$ によらない整数係数の多項式であることを使う)。
  • Tate 予想と Brauer 群の有限性:有限体 $\mathbb F_q$ 上の曲面 $X$ について、$\mathrm{Br}(X)$ が有限であることと、$X$ に対する Tate 予想($\rho(X)$ が Frobenius の固有値 $q$ の重複度に等しい)が同値であることが Tate、Milne らにより示された。原論文 I の序文が Artin の指摘として挙げた Birch–Swinnerton-Dyer 予想との関係はこの方向で精密化され、Artin–Tate の公式につながる(第7章)。K3 曲面については、Tate 予想が 2010 年代に(ほぼ全標数で)証明された。
  • Hodge 理論による上界:標数 $0$ では $\rho\le h^{1,1}$(Lefschetz の $(1,1)$ 定理)なので、余階数は $B_2-h^{1,1}=2p_g$ 以上である($p_g$ は幾何種数)。定理(Brauer 群の余階数)の $\rho\le B_2$ より強い。
  • 超越的 Brauer 群:数体上のアーベル多様体や K3 曲面 $X$ について、$\mathrm{Br}(X)$ のうち $\mathrm{Br}(X_{\bar k})$ へ非零に写る「超越的」な部分が有限であること(Skorobogatov–Zarhin、2008 年頃)が示され、Brauer–Manin 障害の研究で用いられている。

原論文との対応表

本頁原論文(II=Le groupe de Brauer II Gro68b)印字頁
補題(Kummer 列の完全性)II §3 の式 (10)80
定理(Kummer の短完全列)、反例(準コンパクトでない $X$)II (3.1)80
補題(余有限型の群の構造)、補題(余階数の加法性)II (3.2) の証明中の主張、II (3.4) の余有限型・余階数・$T_\ell$ の定義80–82
定理(余有限性)、注意(原論文 II (3.2) の仮定)II (3.2)80–81
(K1) の有限性の範囲II (3.3)81
定理(Brauer 群の余階数)、反例(有限体上の $B_2$)II (3.4)、(3.5)82–83
反例(Picard 群の有限生成性)II (3.5) の見込み82
系(曲線と曲面の Brauer 群)の (1)II (3.7) の後半83–84
系(曲線と曲面の Brauer 群)の (2)、反例($B_1$)II (3.6)、(3.7)、(3.8) の Igusa の式83–84
$\rho\le B_2$、注意(Néron の定理についての原論文の注記)II (3.8)、式 (11)84–85
命題(特殊 Brauer 群と Brauer 群)II (3.9)、式 (12)、(13)85–86

原論文 II (3.3) は、$H^i(X,\mu_\ell)$ の有限性が「分離閉体または有限体上の有限型で、固有または滑らか(特異点解消が使える場合は一般)」、「$\operatorname{Spec}\mathbb Z$ 上の有限型で、滑らかまたは固有」の場合に知られていると述べ、一般の有限型の場合は「非常にもっともらしい」が当時の手段では示せないとしている。また 1968 年版は II (3.6) の標数の条件を「$p\ge0$」と印字するが、$p>0$ の意である。

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